Каждый трубопровод удлиняется при увеличении температуры транспортируемой среды. Удлинение трубопровода из углеродистой стали на участке длиной 1 м составляет около 1,2 мм на каждые 100°. Коэффициент линейного расширения труб из высоколегированных аустенистых сталей значительно больше.
Величина удлинения D (в мм) прямого участка длиной l (в м) может быть определена для трубопровода из углеродистой стали по формуле
D= l 1,2 t /100 мм
где t — температура среды в град.
Если предположить, что трубопровод заделан по концам неподвижно, то при нагревании он будет давить на конечные точки, стремясь сдвинуть их с места. Если сопротивление опор в конечных точках будет достаточно большим, то в трубопроводе развивается значительная продольная сила, под влиянием которой он подвергается продольному изгибу 0 величине сил, которые возникают вследствие расширения прямого трубопровода от нагревания, дает представление следующий пример.
Пусть стальной трубопровод внутренним диаметром 300 мм и толщиной стенки 12 мм нагреется от 0 до 100°. Приняв расширение в 1,2 мм на 1 м длины, найдем, что при абсолютно неподвижных концах трубопровод будет сжат, причем величина относительного сжатия е будет равна:
е = 1,2 /1000 = 0,0012
Умножив эту величину на модуль упругости Е, который для стали при температуре 100° можно считать равным 2 106 кг/см2, получим согласно закону Гуна напряжение
а = е Е = 0,0012 2 000 000 = 2 400 кг/см2
Определив площадь сечения стенки трубы
получим силу в продольном направлении
P = 118 - 2 400 = 283 000 кг.
Эта сила будет стремиться сдвинуть неподвижно закрепленные концы трубопровода.
Следует отметить, что величины продольных сил, возникающих на прямом участке трубопровода с неподвижно закрепленными концами, при его расширении от нагревания, не зависят от длины трубопровода, а определяются только величиной относительного сжатия.
В целях защиты трубопровода от возникновения столь больших разрушающих сил необходимо выполнить его так, чтобы он мог свободно перемещаться при нагревании. Для этого применяют компенсаторы.
Во избежание опасных напряжений в самом компенсаторе длинные трубопроводы делят на участки по 20—60 м, конечные точки которых жестко закрепляют. Между каждыми двумя такими неподвижными (мертвыми) точками вводят компенсаторы.
Определение мест расположения мертвых точек является весьма ответственным делом, так как на них передаются большие усилия. Поэтому мертвые точки должны находиться вблизи частей зданий, способных выдержать соответствующие большие нагрузки, или устраивают прочные фундаменты.
Наиболее целесообразным методом компенсации температурных удлинений труб является естественная компенсация путем использования поворотов и загибов трассы. В этом случае температурные удлинения компенсируются деформацией самих труб.
Гибкость каждого трубопровода обеспечивается рациональным выбором его трассы и расстановкой на ней мертвых опор. Для обеспечения гибкости трубопровода при выборе трассы следует стремиться, чтобы участок трубопровода между двумя соседними мертвыми точками состоял из нескольких взаимно перпендикулярных плеч, по возможности одинаковой длины.
Для защиты трубопроводов от перенапряжений при нагреве в каждой их части между двумя смежными мертвыми точками следует предусматривать холодную растяжку. Величина ее должна быть определена при проектировании трубопровода.
Несоблюдение при монтаже предусмотренной проектом величины растяжки может вызвать значительные напряжения в трубопроводе и привести к аварии.